生物芯片扫描仪

1、引言

生物芯片是在基片表面上点阵地排列识别分子，在相同条件下进行结合或反应后，根据化学荧光法原理，通过生物芯片扫描仪将反应结果显示并记录下来，最后利用计算机软件进行分析处理，得到所需的生物信息，可以用于基因测序、基因表达谱鉴定、基因突变检测等，具有非常广泛的应用前景。

生物芯片扫描仪是生物芯片能否得到广泛应用的关键器件，它是利用强光照明生物芯片激发荧光，并用探测器探测荧光强度，以获取生物芯片信息。生物芯片扫描仪主要有激光扫描仪和CCD扫描仪两种工作方式，本文在概括介绍两种扫描仪工作方式的基础上，详细比较了目前市场上各种扫描仪的性能，最后讨论了扫描仪的发展方向。

2、生物芯片扫描仪概述

灵敏度和分辨率是生物芯片扫描仪最主要的两项技术指标。灵敏度决定了扫描仪能够探测的生物芯片上最小荧光分子浓度，它与荧光激发、荧光收集、荧光探测等各个环节均有关系；分辨率决定了扫描仪能够分辨的生物芯片上最小细节，它主要与扫描方式有关。

2.1 激光扫描仪

激光扫描仪多采用共聚焦光路，其设计原理如图1所示。激光器输出的激光光束扩束为平行光束后，首先通过窄带滤光片1；平行激光光束经过二向色镜反射后，由物镜1聚焦到生物芯片上；

标记有荧光染料的生物芯片在激光照明下产生的荧光由物镜1捕获后变成平行光，经二向色镜透射后由反光镜反射至窄带滤光片2，以滤除发射荧光以外的杂散光；荧光通过物镜2聚焦在光栏上，光栏的作用在于阻挡生物芯片片基和吸附其上的灰尘产生的荧光和杂散光通过，而仅让信号荧光通过；

信号荧光被光电倍增管PMT检测，并经放大器AMP放大，转换器A/D将模拟信号转换为数字信号，最后由计算机PC采集存贮。

激光扫描仪采用激光作激发光源，可以产生较高强度的发射荧光，并采用PMT检测荧光信号，因而具有较高的灵敏度。此外，激光扫描仪的扫描工作方式，使它可以一次性完成较大面积的扫描，并且具有很高的分辨率。

2.2 CCD扫描仪

CCD扫描仪结构比较简单，其工作原理如图2所示。生物芯片在经过窄带滤光片1滤光后的单色光照明下产生的荧光，经窄带滤光片2后由物镜捕获成象在CCD靶面上，并由图象采集卡采集存储在计算机中。

CCD扫描仪采用氙灯或高压汞灯作激发光源，产生的发射荧光强度较弱，并采用CCD检测荧光信号，因而其灵敏度较激光扫描仪低。此外，CCD扫描仪的扫描面积和分辨率也会受到CCD像素数的限制。

3、生物芯片扫描仪比较

3.1 ScanArray激光扫描仪

Packard仪器公司出品的系列激光扫描仪具有以下特点：采用共聚焦线性扫描光路设计；用户可选配2～5个激光器、6～11块发射滤光片；用户可通过软件在扫描过程中实时控制激光器输出功率和PMT增益；模块化设计思想保证了系统的可升级性和灵活配置；多种荧光分别测量，减小了不同荧光相互间的干扰；可扫描尺寸为25mm×75mm的标准生物芯片，用户可定义的最大扫描面积为22mm×73mm；灵敏度0.1mol/μm²，16位数字化信号输出；用户可根据需要选择5，10，20，30和50μm等不同分辨率，快速扫描时间小于5分钟；具有条码读出、自动装片等功能；ScanArray5000型扫描仪尺寸0.76m×0.46m×0.36m，重量32kg，外配激光器尺寸0.74m×0.33m×0.30m，重量25kg。

3.2 GeneTAC LS IV激光扫描仪

Genomic SolutionsGene公司出品的GeneTAC LS IV激光扫描仪具有以下特点：采用非共聚焦扫描光路；配有4个激光器、7块滤光片；1个PMT或2个PMT可选；可扫描25mm×75mm尺寸的标准生物芯片，用户可定义的最大扫描面积为22mm×65mm；灵敏度0.1mol/μm²，16位数字化信号输出；分辨率2～30μm可调，10μm分辨率时的扫描速度小于3分钟；具有条码读出功能，24片载片台；外形尺寸0.92m×0.59m×0.61m，重量120kg。

3.3 GenePix 4000B激光扫描仪

Axon公司出品的GenePix 4000B激光扫描仪具有以下特点：采用非共聚焦光路，在两个波长下同时扫描读取数据；配有 2个半导体激光器，激光器输出功率可调，并利用自动温度控制和自动功率控制反馈回路保持输出功率稳定；分辨率在 5～100μm范围内可调，分辨率为5μm时扫描时间为12分钟，分辨率为10μm时扫描时间为5分钟；可扫描25mm×75mm尺寸的标准生物芯片，用户可定义的最大扫描面积为22mm×73mm；光电倍增管测量，16位数字化信号输出；硬件和软件高度集成。

3.4 GeneTAC 2000 CCD扫描仪

Genomic SolutionsGene公司出品的GeneTAC 2000 CCD扫描仪具有以下特点：500w氙灯，可冷却至-25℃工作的1317×1037像素CCD；配有4块激发滤光片和4块发射滤光片；扫描面积36mm×28mm，分辨率27μm；16位数字化信号输出；24片载片台；外形尺寸0.70m×0.45m×0.61m，重量50kg。

4、结论

生物芯片扫描仪是生物芯片应用的关键器件，具有非常广泛的应用前景。目前国外已有商品化成熟的激光扫描仪和CCD扫描仪，正朝着小型化、集成化方向发展，以更好地满足广大用户的需求。